전북대학교는 공대 화학공학부 김민 교수(JBNU-KIST산학연융합학과·에너지-AI융합공학과) 연구팀 나혜미 석사과정생이 유기 반도체 소재를 활용한 분자 도핑 기술을 적용해 친환경 주석 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 향상할 수 있는 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.
페로브스카이트 소재는 기후 위기를 극복하기 위한 차세대 태양전지 기술로 손꼽히지만, 납 금속을 포함하고 있어 환경 문제가 제기돼 왔다. 이에 최근에는 이 문제를 해결할 수 있는 주석 기반 친환경 페로브스카이트에 관한 연구가 주목을 받고 있으나, 주석의 공기 중 산화 반응을 제어하기 어려워 기존 기술 대비 낮은 광변환 효율과 구동 중 성능 저하가 해결 문제로 부상했다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 주석 페로브스카이트 태양전지 소자에 필수적으로 쓰이는 정공과 전자 수송층에 유연 고분자와 가위 모양의 판상 유기 분자를 각각 도입하는 분자 도핑 모델을 제안했다. 이 소재 도입으로 태양전지로부터 발생한 전하가 페로브스카이트 내에 갇히지 않고 효율적으로 빠져나와 태양전지 효율을 높일 수 있음을 증명했다.
전하 수송층에 도핑된 유연 고분자는 주석 페로브스카이트의 필름 형성 공정에서 생기기 쉬운 구멍을 없애고, 작은 크기의 결정을 증가시키는 역할을 한다. 가위 모양의 판상 분자는 페로브스카이트 표면을 일정하게 메우면서 동시에 전자의 상호 교환 작용을 통해 수명을 높인다.
연구팀은 이 분자들을 주석 페로브스카이트에 쓰이는 다양한 전하 수송층에 적용해 일괄적인 효과를 검증했다. 그 결과 최대 21% 이상의 광전변환 효율을 보여 기존 대비 10% 이상 향상됐음을 확인했다.
김민 교수는 “차세대 태양전지의 친환경 소재에 관한 연구는 기후위기 극복을 위한 친환경 공정을 위해 필수적인 기술”이라며 “이번에 개발한 기술은 차세대 태양전지 분야에 널리 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 우수신진지원사업과 기후기술인재양성사업 지원으로 이뤄졌다. 나혜미 석사과정생이 제1저자로 나섰고 충남대 이재원 교수연구팀과 경북대 차효정 교수연구팀이 공동으로 참여했다. 연구 성과를 담은 논문은 재료 과학 분야 상위 3.7% 이내 국제학술지인 ‘ACS Energy Letters, IF=22’에 게재됐다.